低旦数氨纶空气包覆纱的结构与性能研究

曹膨莉，邱海斌，黄莉茜，3，包翔飞，杜文祺，汤静丽

(1.东华大学纺织学院，上海 201620；2.浙江鑫海纺织有限公司，浙江金华 321104；3.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

氨纶空气包覆纱是一种具有良好弹性及蓬松性的复合弹力纱，通常由一定牵伸倍数的氨纶长丝和无捻复丝在改造后的络筒机或空气包覆丝机上通过高压气流喷射作用使长丝相互纠缠交络而成[1]。 与氨纶包芯纱等其它类型的氨纶弹力丝相比，氨纶空气包覆纱具有独特的周期性网络交缠结构、更高的伸长性和弹性，可赋予织物良好的服用性能和弹性特征。 此外，空气包覆加工速度高、生产效率高、成本低，尤其在生产较细的纱线时加工优势明显。

轻薄舒适一直是服装穿着追求的目标，也是服用纺织品一个重要发展方向，开发轻薄弹力织物和低旦数氨纶弹力纱符合以上目标和发展趋势，具有良好的应用前景。 目前常规的氨纶弹力纱通常采用40 D 及以上氨纶丝作为芯丝，对40 D 以下的低旦数氨纶空气包覆纱及其结构、性能研究很少。 基于以上现状，本文选择10 D、20 D、35 D 三种低旦数氨纶长丝和涤纶POY 为原料制备氨纶空气包覆纱，并对其结构、性能特点进行深入探析，为今后此类纱线的开发和应用提供参考。

1 试验部分

1.1 氨纶空气包覆纱的制备

选用10 D、20 D、35 D 三种氨纶丝和75D/36F涤纶POY 丝作为原料在YJ800DHE 型高速氨纶空气包覆丝机上制备了3 种氨纶空气包覆纱，具体纱线规格和主要工艺参数见表1。

表1 氨纶空气包覆纱试样规格和主要加工参数

1.2 纤维及纱线性能测试

1.2.1 氨纶丝性能测试

(1)拉伸性能

根据标准FZ/T 50006－2013«氨纶丝拉伸性能试验方法»中所述方法，对氨纶丝的断裂强力、断裂伸长率进行测试。 设置上下夹之间隔距为50 mm，拉伸速度为500 mm/min，每个试样测试10次取平均值。

(2)弹性回复率

根据标准FZ/T 50007－2012«氨纶丝弹性试验方法»分别对氨纶丝拉伸至300%的一次拉伸循环和五次拉伸循环回复率进行测试。 设置上下夹头隔距为50 mm，拉伸速度为500 mm/min，测试10次取平均值。

(3)热收缩率测试

依据国标GB/T 6505－2017 «化学长丝长丝热收缩率试验方法(处理后)»，选择单根法进行热收缩性能的测试，选取氨纶丝测试长度为50 cm，100℃热水中处理30 min，每个试样测试10 次，取平均值。

1.2.2 氨纶空气包覆纱结构、性能测试与表征

(1)纱线形貌观察和蓬松性表征

采用数码相机对氨纶空气包覆纱形貌进行拍照观察，并运用ImageJ 对图像进行数据化处理。

(2)纱线网络度与网络牢度

参考文献[2]中记录的测试方法，对氨纶包覆纱的网络度和网络牢度进行测试。 网络度采取的是重锤法，具体的操作过程是在铅直方向给定预加张力的包覆纱，在松弛状态目测其能满足网络牢度要求的网络节个数，其中，预加张力为0.02 cN/dtex，测试10 次，取平均值。

网络牢度是指网络节在一定张力下的损失特性[3]。 测试方法是在轻张力(0.2 cN/dtex)下，测试一米长的包覆纱内的网络节数N1，然后在包覆纱上加重张力(2 cN/dtex)，一分钟后改轻张力，并测试此时的网络节数N2，网络牢度＝N2/N1。 测试10次，取平均值。

(3)纱线拉伸性能

参照标准FZ/T 12040－2020«涤纶(锦纶)长丝/氨纶包覆纱»测试包覆纱断裂强度、断裂伸长率指标[4]，纱线预加张力为0.2 cN/dtex，夹距间隔距为250 mm，拉伸速度为250 mm/min，每种试样测试10 次，取平均值。

(4)纱线拉伸弹性

根据参考文献[5]中的方法，选择定负荷拉伸，以每种包覆纱平均断裂强力的50%作为负载载荷，在0.002 cN/dtex 预加张力作用下取初始纱线长度l0为100 mm，对纱线在拉伸机上进行拉伸，当载荷增加到包覆纱平均断裂强力的50%保持， 60 s 后记录纱长l1，然后卸去载荷，停置120 s 后记录纱长l2。 每种试样测试10 次，根据下式分别计算纱线的弹性伸长率(ε)和弹性回复率(R)，取平均值。

(5)纱线热收缩率

与氨纶热收缩性测试一致，同样选择单根法进行测试，选取包覆纱测试长度为50 cm，每个试样测试10 次，取平均值。

2 结果与分析

2.1 氨纶纤维性能测试结果与分析

从表2 测试结果来看，与其它纤维相比，氨纶丝呈现出明显的低强高伸特性，氨纶大分子由软链段与硬链段交替构成[6]，在外力作用下软链段蜷曲构象会伸直拉长，而硬链段相互之间形成的氢键或结晶状态起到“缔结点”的作用，使氨纶具有高延伸性和高弹性。 其中10 D 氨纶丝的断裂强度、300%伸长时的力值、断裂伸长率和弹性回复率均明显小于20 D 和35 D 氨纶丝，因此10 D 氨纶丝包覆纱加工中要特别注意加工张力、氨纶丝牵伸倍数等加工参数的控制，否则氨纶丝容易发生断丝、毛丝等问题。 20 D 氨纶丝的断裂伸长率和弹性回复率与35 D 氨纶丝基本接近；20 D 氨纶丝的断裂强度大于35 D 氨纶丝，但其绝对断裂强力以及300%伸长时的力值小于35 D 氨纶丝，因此在20 D氨纶丝包覆纱加工中，应适当控制减小其加工张力。 另外从表2 中的热收缩数据可以看出，氨纶丝的沸水收缩率随着细度的增加呈现明显的下降趋势，这可能与氨纶纤维制备过程中，较细的氨纶丝在纺丝过程中受到的牵伸作用大，纤维参与拉伸内应力较大有关。 因此在后续加工过程中，应更关注热湿加工对细旦氨纶丝包覆纱及其织物结构和尺寸稳定性的影响。

表2 氨纶纤维性能测试结果

2.2 氨纶包覆纱结构、性能测试结果与分析

图1、图2 和表3 分别为三种包覆纱的形貌照片和各项指标测试结果。

图1 氨纶空气包覆纱自然松弛状态下的外观形貌

图2 包覆纱在不同状态下的外观形貌

表3 氨纶空气包覆纱各项指标测试结果

(1)纱线形貌结构

从图1 可以看出，氨纶空气包覆纱在松弛状态下，具有明显的周期性粗细节结构和良好的蓬松外观。 涤纶长丝束在喷嘴气流作用下发生单丝分离角落运动，形成结构紧密的网络节部分并完成对氨纶丝的包覆；而网络节之间的纱段，因为氨纶丝的弹性回缩，未发生交络缠结的涤纶丝弯曲卷缩而形成蓬松的粗节部分，从而形成了氨纶包覆纱特殊的外观结构。 进一步对比可以看出，因为氨纶芯丝细度不同，三种氨纶包覆纱在外观上表现出一定的差异:1＃、2＃包覆纱在松弛状态下，其粗节部分更蓬松，这一方面使纱线具有更好的蓬松性，另一方面也增加了外包丝对氨纶芯丝的表观覆盖效果；当氨纶细度为35 D 时，其3＃包覆纱粗细节分布不如1＃、2＃包覆纱明显和有规律，网络节之间纱段蓬松性较低，这是因为3＃包覆纱中氨纶丝较粗，导致喷嘴内长丝的交络运动受到影响，包覆纱的粗细节结构和蓬松性也因此发生变化；另外对于3＃包覆纱还观察到纱线中出现一种类似小辫子纱的扭结圈弧结构，这可能与该包覆纱加工时氨纶丝的牵伸倍数较高、纱线内的残余应力较大有关，导致3＃包覆纱结构稳定性下降、氨纶丝更容易裸露在外。

从图2 中可以看到，随着纱线拉伸张力增加，包覆纱粗节变小，当拉伸张力达到0.2 cN/dtex 时，包覆纱被拉伸到伸直状态，此时粗节中原先松弛弯曲的外包长丝大部分被拉直覆盖在氨纶芯丝上，少量未伸直的长丝在纱线表面形成小圈弧或小突起，使包覆纱具备类似短纤纱的毛羽和条干不匀特征。经过热湿处理后的包覆纱，氨纶与外包丝均有不同程度的收缩，纱线结构变得更紧密均匀、粗细节周期结构更加清晰与规律，可见适当的热湿处理有利于提高氨纶包覆纱的结构均匀性。

另外，从表3 可知，随着氨纶芯丝细度的增加，包覆纱的网络度增加、而网络牢度减小。 网络度的结果与氨纶芯丝的牵伸倍数有关，牵伸倍数越大，低张力下纱线弹性回缩越明显，表现为网络节间隔更加紧密，在相同长度下测得的网络度更大。 网络牢度越大表明当氨纶丝细度越小时，外包纱对于芯丝的包缠包覆作用越强，在经过重负荷的作用下，网络节对于芯丝的包覆程度高不易松散，有利于氨纶包覆纱保持稳定的纱线结构。

(2)纱线拉伸性能分析

由表3 可知，随着氨纶芯丝细度减小，包覆纱的断裂强度提高、断裂伸长率下降。 本文包覆纱制备中采用的涤纶长丝规格一样，因此当氨纶芯丝细度减小，包覆纱中涤纶纤维的比例增加，而涤纶纤维的强度大于氨纶丝，因此纱线的断裂强度随氨纶丝细度减小(即涤纶纤维比例增加)而提高。 而包覆纱断裂伸长率随氨纶丝细度下降而下降，其原因可能与较细氨纶丝的断裂伸长率较小有关(见表2)。 另外，需要指出的是，由于拉伸性能是在对包覆纱施加较大预加张力，即纱线蓬松段处于伸直状态下开始测试的，因此测得的拉伸断裂伸长率远小于氨纶的断裂伸长率。

进一步分析包覆纱的拉伸曲线(见图3)发现，在拉伸过程中，拉伸曲线会出现力值突然下降的现象。 我们分析认为，这是由于拉伸过程中随着外力增大，交缠不够紧密的网络结构受到破坏，原本与氨纶一起承受外力的部分涤纶纤维发生滑移、松弛，承担外力的纤维数量减少，导致纱线力值下降，但是随着下夹头继续拉伸，松弛的纤维被拉直继续承担外力，拉伸曲线继续上升，直至断裂，该现象在3＃拉伸曲线中尤为明显，这与前面测得的3＃包覆纱网络度较低的结果一致。

图3 氨纶空气包覆纱拉伸曲线

(3)纱线拉伸弹性性能分析

图4为三种纱线的定负荷拉伸回复曲线。

图4 氨纶空气包覆纱的定负荷拉伸回复曲线

从图4 可以看出，包覆纱有两个明显不同的拉伸变形阶段，在A－B 阶段，纱线受到拉伸作用后迅速伸长，此时蓬松部分的外包覆丝为屈曲松弛状态，仅有氨纶丝受力，随着氨纶丝伸长，外包覆丝由屈曲开始伸直，该阶段纱线拉伸特性主要体现氨纶丝的拉伸变形特点，因此需要克服的力很小，拉伸曲线基本与横轴重合，强力几乎为0；B－C 段曲线为为第二阶段，主要是在外包覆丝伸直之后，外包覆丝与氨纶芯丝共同承受拉伸作用开始伸长[7]，直至拉伸至设定的负荷值，此阶段纱线拉伸特性主要取决于外包丝拉伸性能。

根据表3 数据可知，三种包覆纱在50%断裂负荷作用下均表现出优异的弹性伸长特性和良好的弹性回复性。 其中3＃纱线的弹性回复率较低，其原因是3＃纱线在50%断裂负荷作用下的弹性伸长率最大(331.6%)，导致其总变形中的塑性变形比例较高。

(4)热收缩率测试

由表3 可以看出，包覆纱的热收缩率随着氨纶丝细度的增加而减小，这与单独进行氨纶丝热收缩性实验的结果一致，即氨纶包覆纱的热收缩程度主要与芯丝的热收缩性能有关。

3 结论

本文选用10 D、20 D、35 D 氨纶单丝与涤纶POY 进行空气氨纶包覆纱的生产，在测试氨纶丝性能的基础上，具体分析了氨纶芯丝细度对氨纶空气包覆纱结构与性能的影响，结论如下:

(1)10 D 氨纶丝的断裂强度、断裂伸长率、弹性回复率小于20 D 和35 D 氨纶丝，而热收缩率则大于20 D 和35 D 氨纶丝，因此在后续加工过程中，应更关注热湿加工对细旦氨纶丝包覆纱及其织物结构和尺寸稳定性的影响。

(2)随着氨纶芯丝细度减小，纺制的空气氨纶包覆纱具有更规律的粗细节纱线结构、对氨纶丝更好的包覆效果和更高的网络节牢度。 同时，经过热湿处理后的三种包覆纱收缩，外观结构均变得更加紧密均匀。

(3)随着氨纶芯丝细度减小，包覆纱的断裂强度提高、断裂伸长率下降；三种纱线在50%断裂负荷作用下均表现出优异的弹性伸长特性和良好的弹性回复性。